Methoden der Angewandten Geophysik

Vorlesung über die Methoden der angewandten Geophysik für Studenten des Bachelor-Studiengangs

Geowissenschaften im 3ten Sem.

Literatur

Keary, P., Brooks B., Hill, I., An introduction to Geophysical Exploration, Blackwell Publishing, 2003.

Mussett, A.E., Khan, M.A., Lookig into the Earth, Cambridge University Press, 2000

Shearer, P., Introduction to seismology, 2009.

Vorlesungsunterlagen, Folien, Übungen unter http://www.geophysik.uni-muenchen.de/Members/igel

Was ist angewandte Geophysik ?

Geophysik ist die Anwendung physikalischer Prinzipien auf Probleme

der Geowissenschaften

… die angewandte Geophysik beschäftigt sich speziell mit Anwendungen geophysikalischer Methoden, bei denen wirtschaftliche, umweltrelevante, oder gefährdungsbezogene Interressen zT im Vordergrund stehen (nicht das Lösen wissenschaftlicher Fragestellungen) …

Beispiele:

Exploration und Prospektion von Rohstoffen (Öl, Gas, Minerale, Edelmetalle, etc.)

Geothermische Energie, CO2-Sequestrierung Erfassung von Strömungsprozessen (monitoring fluid flow) Beurteilung der Bodenbeschaffenheit von Baugrund (Tunnel,

Hochhäuser, etc.) Geophysikalische Archäologie Gefahren- und Risiko- Einschätzung (Vulkane, Erdbeben, Tsunamis) Archäologie

Was sind die Methoden der Angewandten Geophysik?

Seismik, Reflektions- und Refraktions Seismik, Erdbebenseismologie

Deformationen (Längenänderungen)

Gravimetrie, Gravimeter, Anomalien, Dichte der Gesteine, Korrekturen

Geoelektrik, Leitfähigkeit, Polarisation, Eigenpotential

Magnetik, Gesteinsmagnetismus, Anomalien, Biogeomagnetismus

Geoelektromagnetik, EM Felder, aktiv, passiv

Bohrlochgeophysik, well logging, Permeabilität, Porösität

Geophysical fluid dynamics, poröses Medium, Flüssigkeitsdiffusion

Radiometrie, Geothermie/Geothermische Anwendungen (geothermal methods)

Die Vorlesung im Überblick

Woche Inhalte 1 Einführung – Digitale Signale

2-3 Signalverarbeitung, Spektralanalyse

4-6 Elastisches Medium, seismische Wellen

8 Reflektionsseismik

9 Refraktionsseismik

10-11 Erdbebenseismologie

12 Falluntersuchungen

13 Wiederholung

14 Klausur

Angewandte Geophysik: ein Beispiel Rohstoff-Exploration

Datenbeschaffung

Datenaufbereitung und Interpretation

Seismik– Gravimetrie – Bohrlochgeophysik – Radiometrie – Magnetik – Gesteinsphysik – 4D Erfassung

TRANSALP

Struktur unter den Alpen, Tektonik

Angewandte Geophysik: IODP: Integrated Ocean Drilling Program

Seismik – Bohrlochgeophysik – Radiometrie – Gesteinsphysik – Gravimetrie – Electromagnetik – Magnetik

Graphics: IODP www.iodp.org

Vorerkundung möglicher Bohrlokationen immer mit Seismik

Angewandte Geophysik: Umweltgeophysik

Überwachen von Mülldeponien: - Wie verteilen sich Flüssigkeiten

im Gestein? - Gefahren für die

Grundwasserqualität? - Lithologie des Bodens? - Permeabilität, Porosität? - Störungen?

Methoden: Elektromagnetik, Seismik,

Georadar, Magnetik, Gravimetrie, etc. Figure: earthobservatory.nasa.gov

Erdbebenbeobachtung Schwarmbeben

Erdbeben in Bayern, Einfluss von Regen auf Seismizität, Korrelation von Phänomenen

Seismische Gefahren

Wie stark sind die Bodenbewegungen bei möglichen Erdbebenszenarien? Beispiel: Kölner Becken

Fault scarp, Taiwan

Welche Methode für welches Problem ?

Problemstellungen: Es soll die Untergrundbeschaffenheit bezüglich der Statik (hohes Gebäude), Strömungseigenschaften (Mülldeponie), Archäologische Funde, etc. untersucht werden.

Um zu entscheiden, welche Methode geeignet ist, müssen wir Folgendes

beachten: Welche physikalische Eigenschaften und Prozesse sind relevant

(e.g. Permeabilität, Porosität, seismische Geschwindigkeit, Anisotropie, Leitfähigkeit, Dichte, Wellenausbreitung, Diffusion)?

Welche Raum- und Zeitskalen sind relevant für das Problem? Welche geometrischen Experimentanordnungen sind optimal? Wie muss ich die gewonnenen Daten aufbereiten und analysieren? Welche „a priori Information“ (Randbedingungen) ist bekannt und

kann mit einbezogen werden? Wie sind die physikalischen Eigenschaften voneinander abhängig? Die Antworten auf all diese Fragen hängen stark von dem jeweiligen Ziel

und der Problemstellung ab.

Prinzipieller Unterschied: passive und aktive Methoden

Aktiv: Mit künstlichen Quellen

werden Eigenschaften des Untergrunds dargestellt

Beispiele: Explosionen,

Druckluftkanonen EM Wellen Polarisationsmethoden Vibrationen Injektion von Flüssigkeiten

Passiv: Natürliche

Quellen/Phänomene werden für die Erkundung des Untergrund benutzt

Beispiele: Gravitation Erdbeben EM Feld Schallwellen Mikroseismische

Aktivitäten Wärmefluss Deformation Rotation

Was sind direkte und indirekte Methoden?

Imaging, Inversion

Courtesy: C. Thomson

Imaging (Abbilden) und Unsicherheiten

Indirekte Methoden (Imaging) sind normalerweise „unterbestimmte mathematische Probleme“ und/oder haben keine mathematisch eindeutige Lösungen. Dies bietet großen Freiraum für die Interpretation der beobachteten Daten.

Konsequenzen: Es können mehr als nur eine Lösung (oftmals

unendlich viele) die Beobachtungen erklären Informationen über Unsicherheiten sind schwierig

darzustellen Oftmals sind Ergebnisse von „Wunschdenken“

geprägt. ( Vorsicht ! ) Man muss sich stets darüber im Klaren sein, wie viel

Information die Messungen über die Physik des betrachteten Systems beinhalten (dies führt z.B. zum Gebrauch der Wahrscheinlichkeitsrechnung)

Zusammenfassung

Die in dieser Vorlesung angesprochenen geophysikalischen Methoden haben ein immens weites Spektrum an Anwendungen in der Forschung ebenso wie in der Umwelt, Exploration, Ingenieursgeophysik, Geodäsie, Ozeanographie, Medizin, etc.

Die Hauptanwendungen hierbei sind Seismik, Geoelektrik, Magnetik,

Gravimetrie, Geothermie, Radiometrie, Rheologie, Hydrodynamik

Viele der entwickelten Verfahren zur Datengewinnung und

Auswertung der Messungen sind identisch mit denen der jeweils anderen Bereiche. z.B. Digitalisierung, Spektrale Analyse, Filterung, und Simulation (modeling). Deshalb stehen diese fundamentalen Themen am Anfang des Kurses.